C.2 Structures utilisant le fractionnement du bus continu

a.Les structures

Les structures utilisant le principe du fractionnement du bus continu sont multiples. Les plus connues sont celle présentées dans le chapitre précédent : l’onduleur Neutral Point Clamped (NPC) ou l’Active-NPC. Mais ce principe étant une des bases pour la construction de nouvelles topologies, la création de celles-ci est assez aisée. En effet, il suffit de fractionner le bus avec N-1 condensateurs que le nombre N de niveaux désiré en sortie et de placer derrière ce bus continu les interrupteurs en faisant attention à ne pas court-circuiter une des sources de tension ou d’ouvrir une source de courant.

Si dans le premier chapitre il a été présenté la structure NPC pour 3 niveaux de tension en sortie, cette structure est extensible à de plus nombreux niveaux. Par exemple la Figure II-6-A montre la structure étendue à 4 niveaux de tension en sortie. Le principe est le même que pour l’onduleur homonyme pour trois niveaux de tension : la tenue en tension aux bornes de chacun des interrupteurs est assurée par des diodes de clamp. Chaque niveau n’est réalisable que d’une seule façon car les diodes n’autorisent le passage du courant que dans un seul sens.

Figure II-6 Structures d’onduleur 4 niveaux utilisant le principe du fractionnement du bus continu :A) NPC 4 B) convertisseur P2 C) SMC1x3

CHAPITRE II. Classification des Structures de Conversion Multiniveaux

Une autre évolution possible des structures présentées précédemment et utilisant le principe du fractionnement est le convertisseur multicellulaire superposée (SMC) avec uniquement une cellule mais en superposant plusieurs cellules de commutation (Figure II-6-C pour un exemple avec 4 niveaux de tension en sortie). La commande de ces structures comme pour la précédente est assez simple car un niveau ne peut être réalisé que d’une seule façon. Mais contrairement à la structure précédente, ici les interrupteurs sont mis en série pour assurer la tenue en tension de ceux-ci. Il est donc nécessaire dans la commande de faire attention à ne pas provoquer une surtension aux bornes d’un des interrupteurs.

L’avantage de cette famille est l’évolution qu’elle peut permettre dans les topologies de conversion multiniveaux. En effet, dans le cas 3 niveaux, dans le premier chapitre une évolution de l’onduleur NPC avec l’Active-NPC a été montrée. Ce convertisseur est très intéressant de part la redondance qu’il possède pour réaliser certains niveaux qui peuvent être utilisés soit pour réduire ou équilibrer les pertes soit pour augmenter la fréquence de découpage apparente en sortie qui permet de limiter le volume des composants du filtre en sortie du convertisseur. Un autre exemple est donné dans le cas d’un onduleur 4 niveaux sur la Figure II-6-B [ROD]. Cette structure peut être vue comme une variante de l’Active-NPC 4 niveaux (similaire au NPC 4 niveaux en remplaçant les diodes par des interrupteurs actifs) avec pour seule différence l’ajout d’un nœud au centre de la structure. Ce nœud permet d’augmenter le nombre de redondances pour réaliser certains niveaux ce qui augmente bien sûr le nombre de degrés de liberté de cette structure.

Dans la suite de cette étude est proposé un outil graphique d’aide à la conception de nouvelle structure de conversion qui permet de créer assez rapidement de nouvelles structures.

b.Utilisation et Limitations de ces structures

La structure NPC 3 niveaux étant connue depuis de nombreuses années (fin des années 70), elle a fait l’objet de nombreuses études [NAB],[ZAR],[SIN],… De plus celle-ci est utilisée dans de nombreuses applications industrielles pour toute une gamme de puissance allant du kW à 40MW. Il est possible de retrouver ce convertisseur dans des applications telles que dans la chaîne de conversion de l’énergie éolienne ou dans la traction ferroviaire du Shinkansen (train à grande vitesse japonais). Les avantages de cette structure sont la simplicité de la topologie comme celle de la commande. Globalement ces structures utilisant le principe de fractionnement possèdent beaucoup d’applications, de plus les nombreuses études permettent d’élargir le domaine d’utilisation de celles-ci.

Néanmoins si ces structures sont largement utilisées, elles possèdent quelques inconvénients qui limitent leur utilisation. Un des inconvénients majeurs de ces structures est le nombre de composants qui composent ces structures. Par exemple dans le cas du NPC l’accroissement du nombre de composants est assez important entre le cas 3 niveaux (4 interrupteurs et 2 diodes) et celui 4 niveaux (6 interrupteurs et 6 diodes si tous les composants doivent avoir le même calibre). Ceci est dû au fait que les composants ne sont pas utilisés pendant toute la période de modulation. Par exemple les composants qui réalisent uniquement les niveaux –E/2 et E/2 ne sont utilisés que la moitié du temps dans le cas d’un onduleur 3 niveaux et uniquement au mieux un tiers du temps dans le cas 4 niveaux. Ajouter des composants qui ne sont pas utilisés pendant la totalité d’une période de modulation pénalisera de toute façon la structure (même si pendant ce temps ce composant ne produit pas de pertes).

Un autre inconvénient de cette famille de convertisseur est mis à jour lors du fractionnement du bus continu par plus de 2 condensateurs. En effet avec la mise en série de plus de deux

II.C Les différentes familles de convertisseur multiniveaux

condensateurs, l’équilibre de la tension aux bornes de ceux-ci n’est plus assuré avec une modulation sinusoïdale classique. Ce problème a aussi lieu avec toutes ces structures si elles sont utilisées pour une application de hacheur. Pour pallier ce problème, il existe différentes solutions soit en jouant sur la commande, ou en rajoutant une ou des structures qui auront pour but d’équilibrer les tensions aux bornes du bus continu. Ce problème fait l’objet d’un chapitre dans la suite de l’étude.